DAVINCI chống chọi sức nóng sao Kim bằng cách nào?

Một mô hình kỹ thuật của tàu thăm dò DAVINCI vừa trải qua điều kiện giống phần khắc nghiệt nhất của chuyến bay xuống sao Kim: nhiệt độ tăng tới 465°C trong khoảng một giờ. Thử nghiệm được lặp lại sáu lần, trong khi hơn 100 cảm biến theo dõi nhiệt bên trong. Câu hỏi không chỉ là làm sao để một thiết bị không bị nung chảy, mà còn là làm sao bảo vệ dụng cụ đủ tốt để chúng vẫn đo được chính môi trường đang đe dọa mình. [1]

Cách giải của DAVINCI nằm ở một sự cân bằng khó: vỏ tàu phải chống nóng và chống ăn mòn, nhưng probe vẫn cần mở các cửa lấy mẫu để khí quyển sao Kim đi vào các thiết bị phân tích. Trong khoảng 55–60 phút hạ xuống, nó phải vừa chịu nhiệt vừa thu thập dữ liệu về thành phần khí, cấu trúc khí quyển và bề mặt hành tinh. [1]

Bài kiểm tra bắt đầu từ một lò nung

Các kỹ sư đưa mô hình phát triển của DAVINCI vào một buồng lò có lớp lót gốm tại Rex Heat Treat ở Bedford, Pennsylvania. Đây là một trong số ít cơ sở có thể tăng nhiệt với tốc độ tương tự tốc độ nóng lên của probe khi hạ xuống sao Kim. Mô hình có kích thước gần bằng một quả bóng tập yoga, được nâng nhiệt lên 465°C trong khoảng một giờ, mô phỏng tốc độ nóng lên dự kiến khi đi qua khí quyển hành tinh. [1]

Điểm đáng chú ý là nhóm không chỉ làm một lần rồi kết luận. Chu trình nhiệt được lặp lại tổng cộng sáu lần, với phần cứng mô phỏng các thiết bị khoa học hoạt động bên trong. Sau mỗi lượt, mô hình vẫn nguyên vẹn. Kết quả này cho thấy thiết kế có khả năng chịu được bài kiểm tra nhiệt ở quy mô gần với một probe thực tế, dù nó chưa phải là chuyến bay ngoài không gian. [1]

Vỏ titan bảo vệ phần dễ tổn thương

Lớp vỏ ngoài của DAVINCI được làm từ titan, một vật liệu vừa nhẹ vừa bền và có khả năng chống ăn mòn. Với một probe phải mang nhiều thiết bị nhưng vẫn cần giữ khối lượng trong giới hạn, đây là lựa chọn giải quyết đồng thời hai vấn đề: giảm gánh nặng cho hệ thống phóng và tạo một lớp bảo vệ trước môi trường nóng, khắc nghiệt của sao Kim. [1]

Bên trong vỏ là các dụng cụ mô phỏng những gì sứ mệnh cần mang theo. Lớp vỏ không có nhiệm vụ biến môi trường bên ngoài thành điều kiện dễ chịu hoàn toàn; nó phải làm chậm sự truyền nhiệt đủ lâu để thiết bị còn hoạt động trong thời gian hạ xuống. Đây là khác biệt quan trọng giữa một khoang bảo vệ và một chiếc hộp kín tuyệt đối: DAVINCI cần sống sót, nhưng cũng cần tiếp xúc có kiểm soát với khí quyển. [1]

Cửa lấy mẫu tạo ra bài toán ngược

Để biết khí quyển sao Kim gồm những phân tử nào và cấu trúc của nó thay đổi ra sao theo độ cao, DAVINCI phải đưa khí nóng vào các dụng cụ phân tích qua những cửa lấy mẫu chuyên dụng. Vì vậy, các kỹ sư không thể chỉ bịt kín probe để giữ nhiệt. Mỗi cửa mở là một con đường khiến nhiệt từ bên ngoài tiếp cận thiết bị, nhưng nếu không có chúng thì phần quan trọng nhất của phép đo sẽ mất đi. [1]

Có thể hình dung đây giống một căn phòng cần giữ mát nhưng vẫn phải mở một khe cửa để lấy mẫu không khí bên ngoài. Khe cửa không phải chi tiết trang trí; kích thước, vị trí và cách bảo vệ nó đều liên quan trực tiếp đến chất lượng dữ liệu. Trong trường hợp DAVINCI, thử thách là cho khí quyển nóng đi vào đúng nơi cần thiết, đồng thời hạn chế tác động của nó lên những bộ phận nhạy cảm khác. [1]

Một giờ hạ xuống, nhiều nhiệm vụ cùng lúc

Probe dự kiến thu thập dữ liệu trong khoảng 55–60 phút khi đi xuống bề mặt sao Kim. Trong thời gian ngắn đó, các thiết bị sẽ lấy mẫu thành phần khí quyển; camera sẽ ghi những hình ảnh có độ phân giải cao của bề mặt để phục vụ việc lập bản đồ ba chiều; hệ thống vô tuyến sẽ truyền dữ liệu về tàu mẹ bay ở phía trên. [1]

Ba nhiệm vụ này khiến bài toán nhiệt gắn chặt với bài toán vận hành. Một thiết bị được cách nhiệt tốt nhưng mất khả năng đo khí sẽ không hoàn thành mục tiêu khoa học. Ngược lại, các cửa lấy mẫu hoặc hệ thống camera không được bảo vệ đúng mức có thể làm giảm thời gian hoạt động của cả probe. Vì thế, thành công không được đo bằng việc vỏ ngoài chịu nóng đơn thuần, mà bằng việc thiết bị bên trong còn thực hiện đủ công việc trong suốt quá trình hạ độ cao. [1]

Điều DAVINCI muốn tìm hiểu

DAVINCI được phát triển để điều tra những câu hỏi chưa được giải đáp về sao Kim, trong đó có việc hành tinh này từng có đại dương hay từng sở hữu điều kiện phù hợp cho sự sống hay không. Sao Kim thường được gọi là “người song sinh” của Trái Đất vì có những điểm tương đồng về kích thước, nhưng kết cục của hai hành tinh lại rất khác nhau. Thành phần khí quyển và cấu trúc của nó có thể giúp giải thích phần nào sự khác biệt ấy. [1]

Thử nghiệm trong lò nung chưa trả lời các câu hỏi về lịch sử sao Kim. Nó trả lời một câu hỏi thực tế hơn nhưng có tính quyết định: thiết bị có thể đi qua môi trường đó mà vẫn thu được dữ liệu hay không. Mô hình đã vượt qua sáu chu trình ở nhiệt độ mục tiêu, đưa sứ mệnh tiến gần hơn tới giai đoạn thiết kế và chế tạo cuối cùng. Khi nhìn vào DAVINCI, điều đáng nhớ không phải chỉ là một vỏ tàu chịu được 465°C, mà là cách mỗi lớp bảo vệ được tính toán để không ngăn cản hành tinh tự bộc lộ qua các phép đo. [1]